外延MOCVD基本原理及LED各层结构.pptx

1、MOCVD基本原理及LED各层结构,1.何谓MOCVD:,MOCVD:MetalOrganicChemicalVaporDeposition MOVPE: MetalOrganicVaporPhaseEpitaxy OMVPE: OrganoMetallicVaporPhaseEpitaxy Often all three expressions are used interchangeably,MOCVD是 Metal-organic Chemical Vapor Deposition的缩写。 直译:有机金属化学气相沉积法,其中的前两个字母“MO”或“OM”，指的是半导体薄膜成长过程中所采用

2、的反应源(precusor)为金属有机物“Metal-organic”或是有机金属“Organometallic”。,而后面三个字母“CVD”或是“VPE”，指的是所成长的半导体薄膜的特性是属于非晶形态薄膜或是具有单晶形态的薄膜。 一般而言，“CVD”所指的是非晶形态薄膜的成长，这种成长方式归类于“沉积”(Deposition)；而“VPE”所指的是具有单晶形态的薄膜成长方式，这种方式归类于“外延(Epitaxy)。,是一种在基板上成长半导体薄膜的方法。其他类似的名称如：,2. MOCVD系統,2.1反应室（Reactor/Chamber）:,反应腔是MOCVD最重要的部位，材料的特性与设备的

3、好坏通通由它决定。,反应腔主要是所有气体混合及发生反应的地方，腔体通常是由不锈钢(带有冷却水回路)或是石英(太危险已成历史)所打造而成，而腔体的内壁通常具有由石英或是高温陶瓷所构成的内衬。,在腔体中会有一个乘载盘(Wafer Carrier / Suscepetor)用来乘载基板，这个乘载盘必须能够有效率地吸收从加热器所提供的能量而达到薄膜成长时所需要的温度，而且还不能与反应气体发生反应，所以多半是用石墨所制造而成。(因为成长GaN需要NH3做为反应源，而NH3在高温时有腐蚀性所以石墨会镀上SiC保护。),加热器的设置，有的设置在反应腔体之内，也有设置在腔体之外。在反应腔体内部通常有许多可以让

4、冷却水流通的通道，可以让冷却水来避免腔体本身在薄膜成长时发生过热的状况。,1.Reactor,MO 源,NH3 H2,Heater,Chiller (Reactor Cooling),2.2气体控制及混合系统(Gas handling & mixing system):,载流气体从系统的最上游供应端流入系统，经由质流量控制器（MFC）的调节来控制各个管路中的气体流入反应腔的流量。,当这些气体流入反应腔之前，必须先经过一组气体切换路由器(manifold)来决定该管路中的气体该流入反应腔（Run）亦或是直接排至反应腔尾端的废气管路（Vent）。,流入反应腔体的气体则可以参与反应而成长薄膜，而直接

5、排入反应腔尾端的废气管路的气体则是不参与薄膜成长反应的。,Run Line,Vent Line,Manifold valve,不论是有机金属反应源或是氢化物气体，都是属于具有毒性的物质，有机金属在接触空气之后会发生自然氧化，所以毒性较低，而氢化物气体则是毒性相当高的物质，所以在使用时务必要特别注意安全。,2.3反应源（Precursor）:,反应源可以分成两种，一种是有机金属反应源(Alk)，另二种是氢化物(Hydride)气体反应源。,有机金属反应源储藏在一个具有两个联外管路的密封不锈钢罐( bubbler）内，在使用此金属反应源时，载流气体可以从其中一端流入，并从另外一端流出时将反应源的饱

6、和蒸气带出，进而能够流至反应腔。,氢化物气体则是储存在气密钢瓶内，经由压力调节器（Regulator）及流量控制器来控制流入反应腔体的气体流量。,2.4控制+量测系统:,控制机台运行、执行设定的程序(Recipe)。通常还包含一些量测设备。 (ex. Thermo Detector、interferometer、reflectivity .),监控系统负责控制整个MOCVD设备，运行程序的方式有2种。 一种是RealTime Process，另一种是Backgroung Process。前者优点是在机台运行时可以实时更改参数，但主控计算机如有异常时，机台会因此shutdown。后者的优点是当程

7、序上传至MOCVD(PLC)之后，不受主控计算机运作的影响，缺点是程序一旦编写错误难以修正。,除了控制之外，监控系统也会收集各项硬件工作参数(ex.压力、流量、阀门动作)与其他量测数据。,犹如人的双眼，透过量测系统我们得以了解薄膜的成长状况。,主要设备,美国Veeco是世界上少数几家， 制作GaN MOCVD的设备商。 它并购了eMcore的TurboDisc 部门后，拥有开始有制作设备 的技术。 目前安徽厂主力设备为K465i， 每炉次产能45片。,1.公司简介,Gas Cabinet,Reactor Cabinet,Robot Cabinet,Turbo Disk技术，主要是利用高速选转(

8、8002000rpm)来制造出线性层流，达到外延成 长的目的。,2.反应炉原理,优点是产能大，操作简单，Throughput高，很适合公司大规模生产。 缺点是制程条件依赖人员经验判断、源耗大、耗材较多，均匀性较差。 适合波长容忍度较大的产品。,Process Gases Inlet,Process Gases Control Item Manual Valve Regulator Pressure Gauge,3.设备简介 Process Gases,SiH4、NH3、N2、H2 制程气体进器接口 用量最大的气体是H2、N2、NH3这3种气体纯度要求很高，进设备前纯度必须1ppb。 SiH4一

9、般没有经过纯化器。 *1ppb = 1e-9,气体经过调压后，分流至各管道。,Thermo Bath、MFC、PC、Manual Valves,3.设备简介 MO Source Module,金属源模块通常包含: 恒温槽与压力控制器(PC)-确保bubbler维持恒温、稳定饱和蒸汽压(浓度)。 质流量控制器(MFC)-控制流出气体的流量。 充抽与测漏管道-更换新源时使用。,RealTemp (inner-middle-outer),Reactor Cooling Water (by Chiller),Shutter,当转速达到1400rpm时会产生扰流，目前机型已经改良设计。,3.设备简介 R

10、eactor,3.设备简介大部介绍Power Supply Unit,4. 操作介面 Nexus MOCVD Control Software,主控制選單,程序編寫,程序控制,載盤傳送,製程監控,起始參數設定,操作人員登錄,4. 操作介面 Nexus MOCVD Control Software,RealTemp200 测温系统 Tw:芯片表面温度 Tc : Carrier温度 Rw:芯片表面反射率,EpiViser200 温度监控与反射率(成长曲线) 监测系统。,5.量测系统,Aixtron的Reactor Design有两项主要技术 1.Planetary (Aixtron自行开发的水平气

11、流+行星转盘),1.公司简介,Gas Cabinet,Load Lock,Gas Mixing Cabinet,Reactor In GroveBox,2. Shower Head (并购Thomas Swan后取得的均匀气流技术),目前设备主要以G5 (Planetary)和CriusII(Shower Head)，每炉次产能分别为42 pcs与31(or 37)pcs。,LED各层结构,I.1,I.2,如何在Sapphire上成长GaN,各种GaN材料 nGaN / InGaN / pGaN / AlGaN,I.1,如何在Sapphire上成长GaN LED,GaN材料LED早期发展的瓶颈

12、，除了材料本身制作不易外、整个LED也有其他难以克服的挑战。 首先，GaN没有适当的基板，晶格差异太大难以成长出质量良好的GaN材料。 GaN= Al2O3= Si= SiC= . 其次，即使制作出堪用的GaN，却不易制作P型GaN。导致LED整体结构难以实现。 这2个困难点先后被日本几位科学家解决 GaN成长问题: 1983日本田贞史等人以高温AlN作为缓冲层，再成长GaN。 1985日本名古屋教授Isamu Akasaki 以低温AlN作为缓冲层，成长GaN。 1991日亚研究员Nakamura 以低温GaN作为缓冲层，成长GaN。 至此已经大致解决GaN在sapphire上因为晶格差异过

13、大而无法成长的问题。 P型GaN的制作问题: 1989日本名古屋教授Isamu Akasaki利用分子束照射GaN参杂Mg的材料得到明显的p型GaN。 1991日亚研究员Nakamura用热退火的方式得到p型GaN。 至此GaN LED制作的2大难题先后被 Akasaki与Nakamura教授解决。 1993第一颗GaN LED(蓝光LED)问世，发明人Nakamura。,目前我司采用的方法基本上是基于Nakamura的外延方式。 先以低温(约530c)GaN作为缓冲层，再高温(1060c)成长晶格质量较佳的GaN。 P型GaN的制作也是采用Nakamura用热活化(退火)的方式，再约530c

14、(700c)将外延片放入退火炉活化p型GaN。 外延生长时有2个十分重要的量测参数，基板温度与基板的反射率。 尤其是透过基板的反射率，可以让我们理解，薄膜成长过程的变化。 以下我们透过反射率曲线，来解释GaN的成长方式。,Sapphire,H化,H化温度：1080左右 6分钟 H化作用：在开始生长之前，将蓝宝石衬底在高温的氢气气氛中清洁衬底表面，去除杂质、水分等，如去除表面的氧化物薄膜。,BUFFER,Buffer温度：550左右 Buffer作用：在蓝宝石衬底上生长GaN为异质结生长，两种材料之间晶格失配大，所以先在较低的温度下，生长很薄的一层GaN缓冲过渡层。减小异质结生长所产生的缺陷。

15、Buffer层的厚度薄厚对后面GaN生长温度、片子表面的粗糙度均有一定影响，快测功率有差异，但包灯后功率相近。,Buffer,Sapphire,3D,3D的温度：1060左右 3D：在buffer之后，升温后经高温后留下一层薄薄的GaN晶种，该层即是以这些GaN晶种为基础以三维模式进行生长。 3D层生长的质量好坏对后面的GaN生长表面有很大影响（如黑点升温，亮点降温），该层温度相对低能提升VZ。降低IR，但可能会导致VF上升。,Sapphire,Buffer,UGaN（2D、GR）,UGaN的温度：1085左右 UGaN的作用：该层是在三维生长结束后快速的进行二维生长，填平3D未长平区域，得到

16、较平GaN表面。该层能对3D层的生长缺陷进行覆盖。 当该层温度过低时，表面可能出现黑点，过高时可能导致表面出现亮点（气泡），该层对VZ、IR、VF、ESD均有影响。,Sapphire,NGaN的温度：1095左右 NGaN的作用：在高温下生长GaN,并在生长中掺入施主杂质（如Si），为二极管发光提供辐射复合载流子即电子。该层为LED欧姆接触提供N型。 该层温度过低会导致出现黑点，过高会导致表面出现Si裂，两种表面缺陷都会导致ESD变差。,NGaN,NGaN,SL,SL的温度：805左右 SL的作用：这层也是发光层，部分光由这层产生。同时，这层也为MQW的生长起到过渡作用。 该层的周期个数对ES

17、D有一定影响。,NGaN,SL,MQW,MQW的温度：710左右 MQW的作用：LED的主要发光层。PGaN和NGaN提供的辐射复合载流子主要在这层辐射复合发光。LED的发光波长和强度由这层来决定。 该层晶格质量至关重要，基本上对产品的各项性能都有较大影响。,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,LP的温度：750左右,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,PAlGaN,PAlGaN的温度：940左右 PAlGaN的作用：因为PAlGaN的势垒较高，可以把更多的载流子限制

18、在有源区，提高辐射复合率，即提高内量子效率。该层对VZ、IR、ESD有一定影响。,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,PAlGaN,PGaN,PGaN的温度：930左右 PGaN的作用：在GaN中掺入受主杂质（掺Mg)，形成P型半导体材料。这层是为MQW发光提供辐射复合空穴，为LED欧姆接触提供P型。该层对产品ESD、IR、VF有较大影响。,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,PAlGaN,PGaN,Sapphire 430um,Shallow MQWs,LTpGaN : Low Temp pGaN,pGaN: Mg,First Barrier : Si,nGaN LD: Si Low Dope,QWs(GaN :In),uBarrier (GaN : undope),P+:pGaN High Dope,nGaN : Si,3D growth (GaN:undope),Buffer Layer,Thermo Clean,1070,550,1040,R